一种降低铝合金搅拌摩擦焊接接头腐蚀敏感性的方法

本发明涉及高强铝合金结构表面耐腐蚀技术领域，尤其涉及一种降低铝合金搅拌摩擦焊接接头腐蚀敏感性的方法。

背景技术：

7xxx系铝合金具有密度低、屈强比高、断裂韧性和成型性能优良等优点而逐渐成为航空航天、交通运输等领域重要的结构材料之一。近年来，搅拌摩擦焊接(fsw)技术被广泛应用于铝合金大型结构件的连接，尤其是7xxx系铝合金。该技术利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦搅拌产生热量，从而使被焊接材料局部受热塑化。搅拌摩擦焊过程中，焊缝及邻近位置的材料发生相互耦合的形变、相变过程，组织结构演化路径复杂、差异显著，焊接接头从组织上可分为四种不同的区域：焊核区(weldnuggetzone,wnz)，热机械影响区(thermo-mechanicallyaffectedzone,tmaz)，热影响区(heatedaffectedzone,haz)和母材(basemetal,bm)，这四个区域组织存在显著差异，因此它们的腐蚀敏感性差异较大，从而导致焊接接头整体的耐腐蚀性能下降，显著影响构件整体的服役性能。

目前，已有多种技术用来防止腐蚀的发生，比如通过在高温环境下对搅拌摩擦焊接接头表面进行高压喷涂细小颗粒以提高焊接接头的耐腐蚀性能；或者经过液氮深冷处理过的焊缝进行激光淬火处理，改善焊缝表层组织，获得耐腐蚀性能较好的焊接接头；又或者通过二次搅拌添加非晶合金粉末法，在fsw焊缝表面开设槽、孔交替分布结构并向其中填加al86#ni10#ce6非晶态合金粉末和/或se+bi粉末，通过二次搅拌摩擦加工使粉末分散于焊缝表面及表面以下较浅区域，形成具有与原焊缝表面相比较高的抗腐蚀性能；以及铬化处理、氧化膜技术，防腐漆技术和缓蚀剂技术等。

上述方法虽然能够提高了焊接接头的抗腐蚀性能，但是其成本高，操作过程复杂，且污染环境。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述成本较高，操作过程复杂，污染环境等不足，从而提供一种经济环保，工艺简单的降低低cu高强al-zn-mg-cu合金搅拌摩擦焊接接头腐蚀敏感性的方法，包括以下步骤：

将熔铸好的铝合金进行均匀化和多道次热轧处理，并轧至4-5mm厚的铝合金板，再进行t6处理获得t6态铝合金板；

将所述t6态铝合金板进行搅拌摩擦焊接获得铝合金焊接件；

将所述铝合金焊接件置于510℃条件保温60-70min后，以23-25℃/s的速度做淬火处理，并在120℃条件下进行保温22-26h后，冷却至20-25℃，获得低腐蚀敏感性铝合金焊接件。

优选的，所述将熔铸好的铝合金进行均匀化和多道次热轧处理具体包括：

将熔铸好的铝合金在温度为470℃条件下进行均匀化处理24h，再置于420℃条件下保温1h并进行多道次热轧。

优选的，所述t6处理具体包括：将铝合金板置于470℃条件下保温处理1h，再在120℃条件下保温处理24h。

优选的，所述将所述t6态铝合金板进行搅拌摩擦焊接获得铝合金焊接件步骤之前，还包括：将所述t6态铝合金板的对接面和焊接面进行去氧化层和去油污层处理。

优选的，所述搅拌摩擦焊接的工艺参数为：焊接转速900r/min，行进速度100mm/min，倾斜角2.5°，搅拌针长4.0mm，停留时间10s，下压量0.2mm。

有益效果：

本发明通过将搅拌摩擦焊接接头先后在510℃和120℃条件下进行热处理的方法来改变焊接接头的微观组织，从而降低接头的腐蚀敏感性，延长搅拌摩擦焊接接头的使用寿命，且该处理方法仅通过改变温度对铝合金进行处理，其实施方法简单高效，性能可靠，且具有环保性。

附图说明

图1为本发明实施例1中铝合金焊接接头wnz和haz区显微结构；

图2为本发明实施例1中低腐蚀敏感性铝合金接头wnz和haz区显微结构；

图3为本发明实施例1中铝合金焊接接头wnz和haz区晶间腐蚀形貌图；

图4为本发明实施例1中低腐蚀敏感性铝合金接头wnz和haz区晶间腐蚀形貌图；

具体实施方式

为了更加清楚阐述本发明的技术内容，在此结合具体实施例予以详细说明，显然，所列举的实施例只是本技术方案的优选实施方案，本领域的技术人员可以根据所公开的技术内容显而易见地得出的其他技术方案仍属于本发明的保护范围。

低cu高强al-zn-mg-cu铝合金铸锭的制备：以纯铝，纯锌，al-50mg、al-50cu、al-20mn和al-10zr中间合金为原材料，采用高纯石墨坩埚熔炼制备出含有微量的过渡族元素mn、cr和zr的低cu高强al-zn-mg-cu铝合金铸锭。

实施例1

将上述熔铸好的铝合金在温度为470℃条件下均匀化处理24h，再在420℃的恒温炉里保温1h进行多道次热轧，将板材轧至4.3mm厚的铝合金板。对板材采用直读光谱仪测得该合金的为al-5.61zn-1.79mg-0.68cu-0.42mn-0.14cr-0.11zr。将铝合金板置于470℃条件下保温处理1h，再在120℃条件下保温处理24h获得t6态铝合金板。

将t6态合金板采用酒精清洗除去油污，并采用电动钢丝刷打磨除去氧化层，并在2h内进行焊接，先采用蛤蟆钳等刚性夹具将铝合金板材牢牢固定在工作台上，防止焊接过程中对接板材被顶出缝隙，再采用重集团绍兴重型机床有限公司研制的型号为sxt-010的龙门移动式搅拌摩擦焊机进行焊接实验，焊接由尺寸为60mm×100mm×4.3mm的两块铝合金板材沿长边焊接而成，焊接工艺参数为：焊接转速900r/min，行进速度100mm/min，倾斜角2.5°，停留时间10s，搅拌针长4.0mm，下压量0.2mm，获得铝合金焊接件。

将上述铝合金焊接件进行热处理，将马弗炉以10℃/min的升温速率加热至510℃后，将铝合金焊接件放入马弗炉中，在510℃下保温60min。保温完成后，立即放入室温水中以23.5℃/s的速度作淬火处理。将淬火处理后的工件放入120℃的风式干燥箱内，然后在这个温度下保温24h。保温完成后，取出焊接件空冷至22摄氏度，获得低腐蚀敏感性铝合金焊接件。

实施例2

将上述熔铸好的铝合金在温度为470℃条件下均匀化处理24h，再在420℃的恒温炉里保温1h进行多道次热轧，将板材轧至4.0mm厚的铝合金板。对板材采用直读光谱仪测得该合金的为al-5.61zn-1.79mg-0.68cu-0.42mn-0.14cr-0.11zr。将铝合金板置于470℃条件下保温处理1h，再在120℃条件下保温处理24h获得t6态铝合金板。

将t6态合金板采用酒精清洗除去油污，并采用电动钢丝刷打磨除去氧化层，并在2h内进行焊接，先采用蛤蟆钳等刚性夹具将铝合金板材牢牢固定在工作台上，防止焊接过程中对接板材被顶出缝隙，再采用重集团绍兴重型机床有限公司研制的型号为sxt-010的龙门移动式搅拌摩擦焊机进行焊接实验，焊接由尺寸为60mm×100mm×4.3mm的两块铝合金板材沿长边焊接而成，焊接工艺参数为：焊接转速900r/min，行进速度100mm/min，倾斜角2.5°，停留时间10s，搅拌针长4.0mm，下压量0.2mm，获得铝合金焊接件。

将上述铝合金焊接件进行热处理，将马弗炉以10℃/min的升温速率加热至510℃后，将铝合金焊接件放入马弗炉中，在510℃下保温65min。保温完成后，立即放入室温水中以23.0℃/s的速度作淬火处理。将淬火处理后的工件放入120℃的风式干燥箱内，然后在这个温度下保温22h。保温完成后，取出焊接件空冷至20摄氏度，获得低腐蚀敏感性铝合金焊接件。

实施例3

将上述熔铸好的铝合金在温度为470℃条件下均匀化处理24h，再在420℃的恒温炉里保温1h进行多道次热轧，将板材轧至5.0mm厚的铝合金板。对板材采用直读光谱仪测得该合金的为al-5.61zn-1.79mg-0.68cu-0.42mn-0.14cr-0.11zr。将铝合金板置于470℃条件下保温处理1h，再在120℃条件下保温处理24h获得t6态铝合金板。

将t6态合金板采用酒精清洗除去油污，并采用电动钢丝刷打磨除去氧化层，并在2h内进行焊接，先采用蛤蟆钳等刚性夹具将铝合金板材牢牢固定在工作台上，防止焊接过程中对接板材被顶出缝隙，再采用重集团绍兴重型机床有限公司研制的型号为sxt-010的龙门移动式搅拌摩擦焊机进行焊接实验，焊接由尺寸为60mm×100mm×4.3mm的两块铝合金板材沿长边焊接而成，焊接工艺参数为：焊接转速900r/min，行进速度100mm/min，倾斜角2.5°，停留时间10s，搅拌针长4.0mm，下压量0.2mm，获得铝合金焊接件。

将上述铝合金焊接件进行热处理，将马弗炉以10℃/min的升温速率加热至510℃后，将铝合金焊接件放入马弗炉中，在510℃下保温70min。保温完成后，立即放入室温水中以25.0℃/s的速度作淬火处理。将淬火处理后的工件放入120℃的风式干燥箱内，然后在这个温度下保温26h。保温完成后，取出焊接件空冷至25℃，获得低腐蚀敏感性铝合金焊接件。

性能检测实验

取实施例1中铝合金焊接件和低腐蚀敏感性铝合金焊接件分别以焊缝中心为轴心垂直于焊接方向割取，用线切割切取金相试样、剥落腐蚀(exco)试样、晶间腐蚀(igc)试样和电化学试样，其中金相试样的尺寸为50mm×4mm×4.3mm，剥落腐蚀试样的尺寸为90mm×20mm×4.3mm，晶间腐蚀试样的尺寸为50mm×5mm×4.3mm，并分别从焊核区和热影响区切取电化学试样，其尺寸为10mm×10mm×4.3mm。

实验所需腐蚀腐蚀溶液需现配现用，剥落腐蚀溶液按照gb/t22639-2008配置具体为4.0mnacl+0.5mkno3+0.1mhno3，晶间腐蚀溶液按照gb/t7998-2005配置具体为0.5mnacl+0.1mh2o2，电化学实验所用溶液为晶间腐蚀液。

将上述获得的金相试样进行打磨抛光，采用leicadmi8a型光学显微镜观察，获得铝合金焊接接头和低腐蚀敏感性铝合金接头的wnz和haz区显微结构，如图1和图2，图1可见铝合金焊接接头的焊核区为细小等轴晶组织，热影响区为纤维状轧制组织。图2可见低腐蚀敏感性铝合金接头的焊核区仍维持细晶组织，热影响区仍维持纤维状组织，表明热处理后晶粒未发生明显的再结晶，并且焊核区和热影响区的第二相颗粒比热处理前的减少，因此能减少合金发生局部腐蚀的萌生点，特别是热影响区的第二相颗粒分布变得不连续，减少了腐蚀通道的连续性，降低腐蚀敏感性。

将上述获得的剥落腐蚀试样进行冷镶，待测面进行打磨抛光，分别将铝铝合金焊接接头试样(1#)和低腐蚀敏感性铝合金接头(2#)放入装有exco溶液的独立容器中，并用保鲜膜封口。将装有试样的容器放入25℃的水浴锅中，不定时取样观察，记录腐蚀等级。各个时间段试样的不同区域exco等级记录表1如下，通过目视观察判断腐蚀的敏感性及腐蚀快慢。

表1各个时间段1#和2#试样的不同区域exco等级记录表

由表1中等级记录可知，经过焊后热处理的焊接接头腐蚀敏感性下降，腐蚀速率降低。其中，焊核区改善效果明显；且据观察可得经热处理后的试样热影响区并非全部发生剥蚀，而是根据第二相粒子分布，发生间隔性的剥蚀。

将上述晶间腐蚀试样上下表面打磨平整并抛光，将抛光完成的试样分别悬挂在装有igc溶液的独立容器中，并用保鲜膜封口。将装有试样的容器放入35±3℃的水浴锅中，6h后取出，去除表面腐蚀产物，用线切割沿长度方向切取长宽高分别为50mm×2.5mm×4.3mm的试样。随后进行镶嵌，截面为观察面，将观察面进行打磨抛光，用leicadmi8a型光学显微镜观察晶间腐蚀形貌，观察结果如图3、图4所示。图3可见铝合金焊接接头的焊核区的腐蚀形貌以点蚀坑为主，热影响区的腐蚀形貌既有点蚀也有沿轧制方向的腐蚀剥离，铝合金焊接接头的腐蚀深度均大于30μm。图4可见低腐蚀敏感性铝合金接头的焊核区和热影响区的腐蚀深度均减少至低于23μm，腐蚀形貌均为点状腐蚀坑，表明热处理后接头连续性腐蚀倾向减弱，因此腐蚀敏感性得到降低。

将上述电化学试样进行冷镶，待测面进行打磨抛光，用电化学工作站三电极(对电极，饱和甘汞电极，工作电极)装置获得铝合金焊接接头试样(3#)和低腐蚀敏感性铝合金接头(4#)的开路电位和塔菲尔曲线。其性能指标如表2所示。

表2实施例(2#)与对比例(1#)的腐蚀电位和腐蚀电流统计

电化学腐蚀试验表明：腐蚀电位对应腐蚀反应倾向，电位越负，腐蚀反应越容易发生；腐蚀电流密度对应腐蚀反应速率，腐蚀电流密度越大，腐蚀速率越大。热影响区电位总是低于焊核区，腐蚀电流高于焊核区，这就证实了焊接接头腐蚀容易在热影响区发生，且在这个区域反应速率较快，经过焊后热处理的焊接接头腐蚀电位有所提高，腐蚀速率有所下降，说明腐蚀敏感性下降，耐腐蚀性能变好。

综上可见，本发明实施例不仅可以方便有效地降低al-zn-mg-cu合金焊接接头腐蚀敏感性，延长焊接接头的服役寿命，而且处理方法简单，经济环保，性能稳定。

以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。